非线性流变结构性软粘土弹粘塑性固结理论及砂井地基沉降计算

论文摘要

我国东南沿海广泛分布着海相沉积软粘土,软粘土流变性和结构性对固结有重要影响,给地基基础工程设计与施工带来困难,是岩土工程领域研究的重要课题。本研究是导师申请的国家自然科学基金项目“控制工后沉降地基设计理论与方法研究”（批准号50279021）的子课题。本文研究主要内容如下: （1） 阐明软土非线性流变与结构性研究重要意义及国内外研究现状,并从理论、试验和数值模拟对流变和结构性软土本构模型分析研究。 （2） 对Yin & Graham时间线模型进行修正,提出参考应力即初始有效应力随深度变化,修正后模型考虑荷载、土渗透性及初始有效应力随深度变化,用修正后Yin & Graham模型建立软粘土非线性流变一维固结方程,运用多层地基一维固结解析解和叠加原理推导出成层地基一维弹粘塑性固结问题半解析解,得出地基平均固结度、某时刻地基沉降及总沉降计算表达式。 （3） 以Yin & Graham时间线模型为基础,分析应力应变时效关系,将结构屈服应力运用于土固结分析,通过提出合理假设推导考虑土结构屈服应力的屈服准则,建立一个非线性流变结构性软粘土一维弹粘塑性固结模型,运用叠加原理推导出半解析解并给出有限差分解法;新建模型考虑应力应变与时间相关、粘滞性变形引起结构屈服压力增加和结构屈服压力的应变速率效应;运用新建模型与Yin & Graham模型及限元程序PLAXIS中Soft-Soil-Creep Model模型比较、Lerouiel et al.和Imai et al.实验结果对比分析,验证新建模型合理性并阐述土结构性及流变性对软土固结影响。 （4） 新建模型计算需要初始孔隙比e0、渗透系数k、再压缩系数Cεr、压缩系数Cεc、次固结系数Cεa、加载前初始有效应力σ′0、结构屈服压力σ′ref和达到结构屈服压力的应变速率（?）ref等八个基本参数。 （5） 采用新建模型,分析结构性、结构强度、再压缩系数、次固结系数、荷载增量大小、渗透系数、加荷速率、固结层厚度、自重应力随深度变化等各种因素变化对地基孔压消散、沉降以及固结度的影响。 （6） 根据Schertmann和Nagaraj等人实验成果及软土结构性试验,提出结构性软土三段式压缩曲线:弹性压缩段、结构破损突降段、正常压缩段。利用该模型选择合理结构屈服应力及压缩性指标,提出扰动及结构性影响软粘土砂井地基固结度、沉降及附加沉降计算方法。 （7） 采用新建模型和扰动结构性软土计算方法,对深港西部通道一线口岸软土地基塑料排水板堆载预压工程进行数值模拟,说明新建模型的有效性和实用性;阐明扰动及结构性和粘滞性效应对软粘土固结的重要影响。

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 软土流变研究现状
• 1.1.1 软土流变现象
• 1.1.2 软土流变模型
• 1.2 非线性流变与土结构性研究现状
• 1.2.1 非线性流变固结研究现状
• 1.2.2 土结构性研究现状
• 1.2.3 土结构性数学模型
• 1.3 软土地基固结理论及砂井地基沉降计算研究现状
• 1.4 本文研究思路及工作内容
• 第二章 软粘土非线性流变一维固结分析
• 2.1 概述
• 2.2 固结过程中粘滞性
• 2.2.1 主固结过程中粘滞性
• 2.2.2 次固结及时间效应
• 2.3 非线性流变模型
• 2.3.1 时间线概念
• 2.3.2 Bierrum时间线模型
• 2.3.3 修正Yin&Graham“时间线”模型
• 2.4 非线性流变一维固结方程及其求解
• 2.4.1 一维非线性流变固结方程
• 2.4.2 一维非线性流变固结方程半解析解
• 2.5 本章小结
• 第三章 建立软粘土一维非线性流变弹粘塑性固结模型
• 3.1 概述
• 3.2 软土结构性
• 3.3 结构性软土建模基本思想
• 3.4 单级加载条件下一维非线性流变弹粘塑性固结模型推导
• 3.4.1 屈服准则推导
• 3.4.2 弹性阶段变形计算
• 3.4.3 弹粘塑性变形计算
• 3.5 多级或连续加载条件下一维弹粘塑性固结模型推导
• 3.5.1 多级或连续加载条件下屈服准则推导
• 3.5.2 多级或连续加载条件下弹粘塑性变形计算
• 3.6 确定模型参数
• 3.7 一维非线性流变弹粘塑性固结方程及半解析解
• 3.7.1 一维弹粘塑性固结方程
• 3.7.2 一维弹粘塑性固结方程求解过程
• 3.8 一维非线性流变弹粘塑性固结方程差分法解
• 3.8.1 物理方程增量形式
• 3.8.2 一维饱和土水流连续方程差分形式
• 3.9 模型验证
• 3.9.1 本文模型与Yin&Graham模型和有限元程序PLAXIS中Soft-Soil-Creep Model模型比较分析
• 3.9.2 新建模型和Lerouiel et al．与Imai et al．实验结果对比
• 3.10 用新建模型分析各种因素对结构性软粘土固结影响
• 3.10.1 软粘土结构性对固结影响
• 3.10.2 结构强度变化对结构性软粘土固结影响
• 3.10.3 次固结系数对结构性软粘土固结影响
• 3.10.4 再压缩系数对结构性软粘土固结影响
• 3.10.5 渗透系数对结构性软粘土固结影响
• 3.10.6 加载速率对结构性软粘土固结影响
• 3.10.7 荷载增量大小对结构性软粘土固结影响
• 3.11 本章小结
• 第四章 扰动结构性软土砂井地基固结及沉降分析计算
• 4.1 概述
• 4.2 扰动软土压缩曲线校正
• 4.2.1 Schertmann和Nagaraj压缩曲线校正
• 4.2.2 本文提出扰动软土压缩曲线校正
• 4.3 地基处理施工扰动程度评价方法
• 4.3.1 扰动度评价方法
• 4.3.2 地基扰动度不排水强度评价法
• 4.3.3 地基扰动度柱孔扩张理论分析法
• 4.4 考虑土结构性影响砂井地基固结度计算
• 4.4.1 计算原理和计算公式
• 4.4.2 计算与分析
• 4.5 扰动结构性软土地基沉降及附加沉降计算
• 4.6 本章小结
• 第五章 流变结构性软土固结理论在深港西部通道软基沉降中应用
• 5.1 概述
• 5.2 工程概况
• 5.3 工程地质条件
• 5.3.1 地形地貌
• 5.3.2 地层岩性
• 5.3.3 淤泥物理力学性质
• 5.4 软土地基处理设计及监测
• 5.4.1 软土地基处理设计
• 5.4.2 软土地基处理监测
• 5.5 流变与结构性软土固结理论计算地基沉降
• 5.6 扰动结构性软土固结理论计算地基沉降
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 本文主要结论及创新点
• 6.2 建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表文章及参加的科研项目
• 致谢